МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

Томский государственный университет

радиофизический факультет

 

УТВЕРЖДАЮ

 

Декан РФФ

_____________________В.В. Демин

 

"_____"__________________2010 г.

 

 

 

 

 

 

Рабочая программа дисциплины

 

Архитектура вычислительных систем

 

 

 

 

 

Направление подготовки

200700 – Фотоника и оптоинформатика

 

 

 

 

Квалификация (степень) выпускника

Бакалавр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Томск

2010

1. Цели освоения дисциплины

Цель дисциплины «Архитектура вычислительных систем» заключается в приобретении студентами современных знаний по организации информационно-вычислительных систем, их основных компонент и операционных систем. Основная задача дисциплины сводится к формированию и развитию у студента теоретических представлений и практических навыков построения и компетентного использования современных вычислительных систем.

2. Место дисциплины в структуре магистерской программы

Данная дисциплина относится к базовой части профессионального цикла магистерской программы Приборы и устройства нанофотоники.

Для освоения дисциплины студент должен обладать:

- готовностью пользоваться математическим аппаратом в области теории информации, кодирования, теории информационных систем и сигналов, использовать основные положения теории информации и информационных систем применительно к прикладным задачам передачи, преобразования и приема информации;

- готовностью работать с информацией в глобальных компьютерных сетях;

- способностью применять основные методы, способы и средства получения, хранения, переработки информации, иметь навыки работы с компьютером как средством управления информацией;

От студента требуются знания основ информатики, базовых понятий математической логики и дискретной математики, приобретенные в процессе бакалаврской подготовки.

Освоение данной дисциплины необходимо для освоения дисциплины «Основы оптоинформатики также проведения научно-исследовательской работы.

 

 

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

способность к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей её достижения, владеть культурой мышления (ОК- 1);

способностью применять основные методы, способы и средства получения, хранения, переработки информации, иметь навыки работы с компьютером как средством управления информацией (ОК- 12);

способность собирать и анализировать научно-техническую информацию, учитывать современные тенденции развития и использовать достижения отечественной и зарубежной наук, техники и технологии в профессиональной деятельности (ПК-2);

способность работать с информацией в глобальных компьютерных сетях (ПК-3);

способностью применить навыки компьютерного моделирования информационных сигналов и систем, синтеза кодов, количественного анализа характеристик информационных систем, приёмы практического решения задач выбора и оценки эффективности различных архитектурных и структурных решений с точки зрения производительности, надёжности и стоимости вычислительных систем, приёмы организации различных видов памяти, оптимизации использования ресурсов памяти вычислительных систем, практические навыки по выбору и оптимизации вычислительных ресурсов (ПК-17);

способность проводить предварительный технико-экономический анализ проектируемых объектов (ПК-23);

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

 Знать:

·        основные компоненты вычислительных систем (организационные, технологические, программно-информационные и пр.), 

·        методы оценки, структуризации и функциональной  оптимизации информациооно-вычислительных систем;

·        принципы работы и внутреннюю организацию операционных систем.

Уметь:

·        оценивать эффективность различных архитектурных и структурных решений с точки зрения производительности, надёжности и стоимости вычислительных систем

·        в зависимости от целевого назначения информационно-телекоммуникационных систем выбрать эффективные архитектуру, структуру, технологию и программно-информационное обеспечение разрабатываемой вычислительной системы;

·        обслуживать современные информационно-вычислительных системы, их компоненты и операционные системы;

Владеть:

·        навыками работы с современной вычислительной техникой;

·        практическими навыками по выбору и оптимизации вычислительных ресурсов;

·        навыками установки, настройки и работы в современных серверных операционных системах семейства UNIX, Linux и Microsoft Windows;

 

4. Структура и содержание дисциплины

1. Архитектура аппаратного обеспечения вычислительных систем.

Введение. Эволюция компьютерной архитектуры. Семейства компьютеров.  Организация информационно-вычислительных систем Информационно-вычислительные системы и их классификация. Функциональная и структурная организация. Многомашинные и  многопроцессорные  системы. Суперкомпьютеры и особенности их архитектуры. Кластерные  суперкомпьютеры. Функциональная и структурная организация вычислительных систем. Процессоры. Устройство центрального процессора. Выполнение команд. Системы CISC и RISC. Параллельные вычисления. Скалярная и векторная обработка информации. Матричная обработка. Мультипроцессорная обработка. Конвейер.  Параллелизм на уровне команд. Параллелизм на уровне процессоров. Класс SIMD. Векторно-конвейерные системы. Матричные системы. Ассоциативные системы. Класс MIMD. SMR-системы. Кластерные архитектуры. MPP-системы. Вычислительные системы с программируемой структурой. Основная память. Бит. Адресация. Код исправления ошибок. Кэш-память. Типы модулей памяти. Вспомогательная память. Иерархическая структура. Магнитные диски. Оптические диски. Твердотельные накопители. RAID – массивы. Ввод-вывод. Шины. Внешние устройства. Телекоммуникационное оборудование.

2. Архитектура операционных систем семейства Microsoft Windows.

История Microsoft Windows. Внутренне устройство Windows NT. Права доступа. Системный реестр. Файловая система FAT. Файловая система NTFS. Основные службы Windows. ActiveDirectory. Технология Windows DRM.

3. Архитектура операционных систем семейства UNIX.

История Unix. Пользователи, Система разграничения прав. Файловая система. Общие сведения о файловой системе UNIX. Метаданные. Индексный дескриптор. Структура каталогов и inode. Управление доступом. Деление дисков на разделы. Журналируемые файловые системы. Процессы. Shell как интегратор процессов. Атрибуты процессов. Планировщик процессов. Подсистема виртуальной памяти. Создание и завершение процессов. Средства межпроцессного взаимодействия. Объекты синхронизации.

Внешние устройства. Графическая подсистема.

 

 

Общая трудоемкость дисциплины составляет  3  зачетных единиц  108 часов.

 

 

 

 

п/п

 

Раздел

дисциплины

Семестр

Неделя семестра

Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах)

Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра)

Форма промежуточной аттестации (по семестрам)

Лекции

Лаб. работы

Семинары

Самост. работа

1

Архитектура аппаратного обеспечения вычислительных систем.

5

1-5

12

-

6

8

Устный опрос

2

Архитектура операционных систем семейства Microsoft Windows.

 

5

5-9

6

8

4

8

Устный опрос

3

Архитектура операционных систем семейства UNIX.

 

5

10-18

12

20

8

8

Устный опрос

4

Итоговый контроль по дисциплине

 

18

 

 

 

8

зачёт

ИТОГО

 

30

28

18

32

 

5. Образовательные технологии

При реализации дисциплины занятия проводятся в интерактивных формах: практикуются проблемные лекции, групповые дискуссии. При проведении семинаров предусматривается участие ведущих специалистов лаборатории Автоматизации радиофизических исследований и лаборатории Тестирования программного обеспечения операционных систем. Также проводится совместный анализ конкретных ситуаций (Case Study): ролевое разыгрывание конкретной ситуации, либо коллективное обсуждение вариантов решения одной и той же ситуации.

 

6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины

Видами самостоятельной работы обучающегося по данной дисциплине являются:

- подготовка ответов на контрольные вопросы;

- подготовка докладов на семинарах;

- подготовка к зачёту.

Темы семинаров

1.      Сравнение различных классификаций вычислительных систем.

2.      Сравнение симметричной и ассиметричной многопроцессорной архитектуры и выявления областей их применения.

3.      Преимущества и недостатки CISC и RISC архитектур.

4.      Способы распараллеливания вычислений. Применение параллельных вычислений в прикладных задачах.

5.      Разграничение прав доступа в ОС Windows

6.      Сравнение файловых систем FAT и NTFS

7.      Особенности UNIX файловых систем

8.      Сравнение разграничения прав доступа в UNIX и Windows

9.      Процессы и интерпретатор команд в UNIX

10.  Графическая подсистема и сравнение графических оболочек

11.  Выбор аппаратной и программной архитектуры вычислительной системы в рамках конкретных задач.

 

Темы лабораторных работ

1.      Использование среды VMware для эмулящии виртуального аппаратного обеспечения.

2.      Установка ОС Windows Server 2008.

3.      Конфигурирование служб Windows Server.

4.      Установка Linux.

5.      Установка FreeBSD UNIX и программного обеспечения.

6.      Установка настройка графической подсистемы FreeBSD UNIX.

7.      Изучение командного интерпретатора и файловой системы FreeBSD UNIX.

8.      Изучение межпроцессного взаимодействия и разграничения прав пользователей в FreeBSD UNIX.

 

Примерные темы ролевых игр:

1.      Выбор конфигурации сервера системы видеонаблюдения.

2.      Выбор архитектуры для системы автоматизации лабораторной установки.

3.      Подбор оборудования и программного обеспечения сервера маршрутизации.

 

Перечень контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы

 

1.      Дискретизация сигнала и цифровое представление данных в ЭВМ.

2.      Измерение количества информации. Формула Шеннона.

3.      История развития ЭВМ.

4.      Классификация вычислительных систем по Флинну.

5.      Программные и аппаратные RAID контроллеры.

6.      Архитектуры SUMA и NUMA на примере процессоров Intel и AMD.

7.      Базовая система ввода-вывода.

8.      Графические системы вывода информации.

9.      Устройства передачи данных. Локальные вычислительные сети.

10.  Кластеры вычислительных систем

11.  Операционные системы, входящие в семейство Windows NT

12.  Списки прав доступа (ACL)

13.  Сфера применения ActiveDirectory.

14.  Требования технологии Windows DRM к аппаратному обеспечению.

15.  Стандарт System V Release 4

16.  Разбиение диска на разделы. Структура каталогов UNIX.

17.  Пользователи и группы в UNIX.

18.  Перенаправление потоков. Конвейер.

19.  Терминалы UNIX.

20.  Сигналы. Отправка сигналов процессам.

21.  Графические серверы и графические оболочки.

22.  Атрибуты файлов. Доступ к файлам и каталогам.

23.  Файловая система устройств (Devfs).

 

Примерный перечень вопросов к зачёту

 

1.      Понятие архитектуры ЭВМ. Основные компоненты ЭВМ. Архитектура Фон Неймана. CISC. RISC.

2.      Определение информационной системы. Классификация информационных систем.

3.      Устройство системной памяти. Адресация.

4.      Мэйн-фрейм.  Общая характеристика, область применения.

5.      Понятие системной шины. PCI, AGP, PCI-Express (EV6, HyperTransport.)

6.      Суперкомпюьютер. Общая характеристика, область применения.

7.      Архитектура контроллеров IDE и SerialATA. Основные характеристики.

8.      Многомашинные, многопроцессорные ВС и суперкомпьютер. Особенности архитектуры.

9.      Подходы к улучшению производительности дисковой подсистемы. Уровни RAID.

10.  Эволюция ЭВМ.

11.  Многоуровневость ЭВМ, виртуальная ЭВМ.

12.  Порты COM, IrDa, LPT. Шина USB.

13.  Процессоры. Устройство центрального процессора. Выполнение команд. Системы CISC и RISC.

14.  История развития вычислительных машин. Поколения ЭВМ. Обзор устройства и основные принципы работы ЭВМ.

15.  Основная память. Бит. Адресация. Код исправления ошибок. Кэш-память. Типы модулей памяти.

16.  Процессоры.  Ядра и линейки.

17.  Вспомогательная память. Иерархическая структура. Магнитные диски. Оптические диски. IDE, SСSI- диски. RAID – массивы.

18.  Понятие системного чипсета.  Чипсеты с локальной шиной. Мосты. Хабовая архитектура.

19.  Внутрипроцессорный параллелизм. Уровень команд. Многопоточность. Однокристальные мультипроцессоры.

20.  Скалярная и векторная обработка информации. Матричная обработка. Мультипроцессорная обработка. Конвейер.

21.  Ввод-вывод. Шины. Внешние устройства. Телекоммуникационное оборудование.

22.  Права доступа в ОС Windows.

23.  Системный реестр Windows.

24.  Файловая система FAT.

25.  Файловая система NTFS.

26.  Основные службы Windows.

27.  ActiveDirectory.

28.  Технология Windows DRM.

29.  Типы объектов в файловой системе Unix.

30.  Ссылки «жесткие» и символьные в файловой системе Unix.

31.  Основные атрибуты файлов в файловой системе Unix.  Права доступа пользователя (процесса) к файлу.

32.  Индексный дескриптор файла в файловой системе Unix.

33.  Общее дерево каталогов в файловой системе Unix.  Разбиение дисков на разделы.

34.  Специальный файлы устройств в Unix.  Назначение и разновидности. Devfs.

35.  Основные атрибуты процесса в Unix.

36.  Создание и завершение процессов в Unix. «Родственные отношения» процессов.

37.  Разделение времени между процессами в Unix.

38.  Подсистема виртуальной памяти в Unix.  Совместное использование памяти разными процессами.

39.  Механизмы взаимодействия процессов в Unix.

 

 

7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

 

а) Основная литература:

1.      Робачевский А., Немнюгин С., Стесик О. Операционная система Unix. СПб.: БХВ-Петербург, 2008. 646 с.

2.      Бройдо В. Л. Архитектура ЭВМ и систем. СПб.: Питер, 2009. 720 с.

3.      Цилькер Б. Я., Орлов С. А. Организация ЭВМ и систем. СПб.: Питер, 2006. 672 с.

4.      Станек УР. Windows Server 2008. Справочник администратора. СПб.: БХВ-Петербург, 2009. 688 с.

 

б) Дополнительная литература:

 

1.      Немет Э., Снайдер Г., Сибасс С., Хейн Т. Р. UNIX. Руководство системного администратора. СПб.: БХВ-Петербург, 2007. 928 с.

2.      Бройдо В. Л. Архитектура ЭВМ и систем. СПб.: Питер, 2009. 720 с.

3.      Безуглов Д. А., Калиенко И. В. Цифровые устройства и микропроцессоры. Ростов-на-Дону: Феникс, 2008. 480 с.

4.      Трамперт В. AVR-RISC микроконтроллеры. Киев: МК-Пресс, 2006. 464 с.

5.      Таненбаум Э. Архитектура компьютера. СПб.: Питер, 2007. 848 с.

6.      Барский А. Б. Параллельные информационные технологии. M.: Интернет-университет информационных технологий, Бином. Лаборатория знаний, 2007. 504 с.

 

в) Программное обеспечение и Интернет-ресурсы:

 

1.      URL http://www.intuit.ru/department/hardware/mpbasics/

2.      URL http://www.intuit.ru/department/hardware/csorg/

3.      URL http://www.intuit.ru/department/hardware/atmcs/

4.      URL http://www.intuit.ru/department/hardware/archhard2/

5.      URL http://www.intuit.ru/department/hardware/ibmarcz/

6.      URL http://www.intuit.ru/department/hardware/archsys/

7.      URL http://www.intuit.ru/department/os/osmswin/

8.      URL http://www.intuit.ru/department/network/mswinserver2003/

 

8. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Компьютерные классы радиофизического факультета с доступом в сеть Интернет, оргтехника, интерактивные доски для практических занятий и самостоятельной работы (в мультимедийных аудитория радиофизического факультета). Проведение лабораторных работ обеспечивается наличием лаборатории автоматизации радиофизических исследований и лаборатории тестирования программного обеспечения операционных систем.

 

Авторы:          Н. Г. Булахов, ассистент кафедры квантовой электроники и фотоники радиофизического факультета Томского госуниверситета.

                       

 

Рецензент:     Н.В. Евтушенко, зав. кафедрой информационных технологий радиофизического факультета Томского госуниверситета.

 

Программа одобрена на заседании Ученого совета радиофизического факультета Томского государственного университета от 14 декабря 2010 года, протокол № 9.